煤层气井排采理论与技术PPT课件

,煤层气井排采理论与技术,1.煤层气的产出机理2.排采过程中的产层伤害与保护3.煤层气井排采工艺4.煤层气井排采工作制度,事实上，在原地储层条件下的煤层气主要呈吸附态赋存于煤层孔隙内表面被大量的等温吸附实验和煤层气开发实践所证实。,煤层气产出机理,煤层气赋存状态：,(1)通过将实测煤层气含量数据与等温吸附实验所获得的理论吸附量进行对比发现，绝大多数样点的煤层气吸附饱和度处于吸附欠饱和或接近吸附饱和状态，很少有吸附过饱和状态。这一事实充分证明煤层气的赋存状态以吸附为主。,证据有三：,煤层气产出机理,煤层气赋存状态：,(2)煤层气开发实践进一步证实，煤层气以吸附为主的赋存特点。几乎所有煤层气井都是在排水降压之后才开始产气的，不具备游离气产出的特征。,证据有三：,煤层气产出机理,煤层气赋存状态：,(3)尽管煤层孔隙及裂隙中充满了水，但水溶甲烷量相对实测煤层气含量值而言是微不足道的。甲烷水溶实验表明，在通常煤储层温度、压力和矿化度条件下，每升水所能溶解的甲烷也不过0.053.11升。若煤层孔隙按30%（此假设值远大于实际情况）计算，每吨煤最多也只有0.25m3的水；用最大溶解度3L/L计算，每吨煤最多溶解甲烷只不过是0.75m3,证据有三：,煤层气产出机理,煤层气赋存状态：,经典的3D理论：,煤层气产出机理,解吸扩散渗流,解吸模型Langmuir方程,式中：C(p)吸附量，m3/t；VL兰氏体积，m3/t；P地层压力,MPa；PL兰氏压力,MPa。,经典的3D理论：,煤层气产出机理,式中：qm为煤基质中甲烷扩散量，m3/day；D为扩散系数，m2/day；为形状因子，m-2；g为甲烷的密度，t/m3；Vm为煤基质块的体积，m3;C(t)为煤基质中甲烷的平均浓度，m3/t;C(P)为基质-割理边界上的平衡甲烷浓度，m3/t。,扩散模型Fick定律,经典的3D理论：,煤层气产出机理,渗流模型Darcy定律,式中：Vl为l相的渗流速度，m/s；l为l相的粘滞系数，Mpas；Pl为l相的压差，MPa；L为渗流途径的长度，m；Kl为l相的有效渗透率，10-3m2；K为多孔介质的绝对渗透率，10-3m2；Krl为l相的相对渗透率，10-3m2。,经典的3D理论：,煤层气产出机理,解吸与吸附的差异：,煤层气产出机理,大量的实验研究表明，煤层气吸附/解吸具有一定的可逆性并且解吸表现出一定的滞后性，这是一个问题的两个方面，是物理吸附客观本质的体现。,解吸与吸附的差异：,煤层气产出机理,根据煤层气解吸条件和解吸特征（物理），将其解吸分为：降压解吸置换解吸扩散解吸升温解吸等四个亚类。当然，在这四类解吸作用中降压解吸是其中最主要的也是对煤层气产出贡献最大的。,解吸动力学特征及解吸类型：,煤层气产出机理,（1）降压解吸降压解吸是一种最特征的物理解吸作用过程，也是煤层气开采过程中最最主要的一种解吸作用。降压解吸的基本特征是，被吸附在煤基质孔隙内表面的煤层气分子由于“外界压力”的降低而变得更为活跃，以致于解脱了范德华力的束缚，由吸附态变为游离态。根据目前对降压解吸的基本认识，其解吸行为基本服从朗缪尔方程。,解吸动力学特征及解吸类型：,煤层气产出机理,（2）置换解吸置换解吸的本质是未被吸附的其他气体分子或水分子为而置换了处于吸附态的甲烷分子的位置，从而使原呈吸附态的甲烷分子变为游离态，故普遍存在于煤层气开采过程之中。事实上，置换解吸是“优胜劣汰的自然法则”的具体体现。一方面，未被吸附的其他气体分子和水分子，在普遍存在于各种原子、分子之间的范德华力作用下在不停地争取被吸附的机会，以力图达到动态平衡状态；另一方面，气体分子的热力学性质决定了这些被吸附的气体分子在不停地争脱范德华力束缚，变吸附态为游离态。,解吸动力学特征及解吸类型：,煤层气产出机理,（3）扩散解吸根据分子扩散理论，只要有浓度差存在，就有分子扩散运动，这是气体分子热力学性质所决定的。研究表明，甲烷气体分子在煤的孔隙内表面得以高度富集，这就与孔隙、裂隙内的流体构成了高梯度的浓度差，这种浓度差迫使甲烷分子扩散，从而造成非常规解吸。基于扩散的普遍存在性，因此扩散解吸也是煤层气开采过程中煤层气解吸的重要的一种作用类型。鉴于扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”，因此这种扩散的本身是偶于“解吸作用”之中的，是解吸作用与扩散作用的耦合。从解吸的角度，称之为“扩散解吸”。,解吸动力学特征及解吸类型：,煤层气产出机理,（4）升温解吸据现代物理化学研究表明，吸附剂对吸附质的吸附量是吸附质、吸附剂的性质及其相互作用、吸附平衡时的压力和温度的函数。温度与吸附量呈负相关，与解吸量呈正相关。温度升高，加速了气体分子的热运动，使其具有更高的能力可以逃逸范德华力的束缚而被解吸。有人将温度对解吸速率和解吸量的影响归于影响因素，我们认为温度与压力一样，都是引起解吸的一种动力，应将其定为一种解吸类型。这一类型在煤层气含量测定实验中早已得到证实。我们可以发现，在煤层气含量测定过程中，当解吸罐放入恒温水箱时，即使解吸罐内的压力在升高，煤层气解吸也会加速。在煤层气开采过程中，其温度往往几乎是“恒定的”。这是因为在煤层气开采过程中，无论是煤层气解吸、扩散还是渗流甚至水的渗流，均没有条件引起煤层温度发生重大变化。即使大量产水需要运距离的水源补给，也会在渗流过程中使其温度均衡。,解吸动力学特征及解吸类型：,煤层气产出机理,煤层气吸附饱和度是指煤层在一定的温度、压力和湿度等条件下对甲烷的吸附饱和程度，实际气含量与理论吸附量之比，一般用百分比表示。吸附饱和度是评价煤层气富集程度和可采性的重要综合指标。,常规油气饱和度是指孔隙体积比,吸附饱和度及物理意义：,煤层气产出机理,吸附饱和度及物理意义：,煤层气产出机理,饱和煤层（A）含有最大的气含量，这在理论上是可能的，如由实验室确定的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水和压力下降时，气生产立即开始。,欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事件。为了使气产气甚至需要几年的时间进行脱水和降压，而最终的储量减少。,饱和的,欠饱和的,吸附饱和度及物理意义：,煤层气产出机理,气含量测定误差,吸附饱和度误差,等温吸附曲线实验误差,地层压力测试误差,吸附饱和度及物理意义：,煤层气产出机理,在煤层气开采过程中，随着排水降压，煤层中流体的压力将逐步降低，煤层气开始解吸时刻对应的压力则被称之为“煤层气临界解吸压力”，一般用MPa表示。临界解吸压力是评价煤层气可采性的重要指标。,临界解吸压力及物理意义：,煤层气产出机理,临储压力比为临界解吸压力与储层压力之比，临储压力比越大，表明越易于排采。,临储压力比及物理意义：,煤层气产出机理,在煤层气开采过程中，煤层气开始大量产出时刻的井底流压则被称之临界产气压力。,临界产气压力(井底流压)及物理意义：,煤层气产出机理,2020/5/31,中国石油大学（北京）煤层气研究中心,24,压降漏斗与产出特征：,煤层气产出机理,井间干扰对煤层气生产是一项最有效的实现稳定高产的技术措施。而对常规天然气生产却恰恰相反，井间干扰会导致常规天然气产量大幅度锐减。井间干扰促进煤层气井稳定高产的原理在于，在储层条件下煤层气是呈吸附态存在的，煤层气产出需要通过排水-降压使其从煤的基质孔隙内表面解吸下来，因此井间干扰是造成有效降压的技术手段。,区域压力降、井间干扰与产气特征：,煤层气产出机理,95年1月，9口,95年7月，7口，共16口,95年12月，5口，共21口,96年5月，10口，共31口,96年10月，10口，共41口,97年1月，12口，共53口,井网排采有利于提高煤层气产量,拉顿盆地井网排采增加煤层气产量的成功实例,区域压力降、井间干扰与产气特征：,煤层气产出机理,排采过程中的产层伤害与保护,煤层气井排采过程中产层伤害的主要原因与伤害机理：1.排采过快带来的伤害（应力敏感伤害、气锁水锁伤害、吐粉伤害等）2.修井作业带来的伤害（外来物质伤害）3.关井带来的伤害（煤粉堵塞伤害、气锁水锁伤害等）,排采过程中的产层伤害与保护,无因次渗透率与围压和有效压力的关系,排采过程中的产层伤害与保护,煤层气储集特征（吸附）煤层气产出的先决条件是降压解吸煤层气开采工艺排水降压解吸产气,煤层气井排采工艺,煤层气井排采工艺,各种排水采气工艺对比,煤层气井排采工艺,单管气举井下管柱示意图（a）开式管柱；（b）半闭式管柱；（c）闭式管柱,煤层气井排采工艺,气举过程（a）停产时；（b）环形液面达到管鞋；（c）气体进入油管,煤层气井排采工艺,气举井压力分布,套管内的气柱静压力近似直线分布，即,气举井内的压力及其分布,气举井生产时的压力平衡式为,煤层气井排采工艺,“三抽”设备：,抽油机,抽油杆,抽油泵,游粱式抽油机,无游粱式抽油机,常规型,前置型,异相型,大轮式,旋转驴头式,六杆式双游粱型,宽带式,增距式,链条式,煤层气井排采工艺,井下部分,潜水电机、保护器、分离器和多级离心泵,中间部分,地面部分,潜水电缆,控制屏和变压器,潜水电泵供电流程,地面电源,潜水电机,控制屏,变压器,潜水电缆,潜水电泵抽油工作流程,分离器,单流阀,多级离心泵,井口,泄油阀,地面管线,煤层气井的排采设备选择是保障煤层气井长期、稳定和连续排采的前提条件。首先排采设备必须性能可靠，持久耐用，节能低耗，易于维修保养。其次，要有从低排量到高排量较大范围内的排液能力与控制排液能力，还要有较强的和较灵敏的井口及产气系统的压力控制能力。煤层气井的排采设备可分为地面设备和井下设备。,煤层气井排采工艺,点火装置,煤层气井排采工艺,煤层气井排采工艺,井口装置：井口装置可选择250型采油树或采气井口，并且要装有防喷盒。,煤层气井排采工艺,根据储层埋深及相应的井下泵挂深度选择与之相适应型号的抽油机。由于目前国内外煤层深度多在1200m以浅，选择35型的抽油机较为适宜，并且配备与之相适应的动力系统，即可确保排采作业的正常运转。选择抽油机的基本原则：在满足泵深及产液量的基础上，既要发挥抽油机的能力，又不致超负荷运转。因此，光杆最大悬点载荷不允许超过抽油机额定悬点载荷，曲柄的最大扭矩不允许超过减速器的额定扭矩。Wmax=0.700.95WTmax=0.600.95TW-光杆最大悬点载荷Wmax-光杆额定悬点载荷T、Tmax-曲柄最大扭矩和减速器的额定扭矩如果Wmax0.70W，Tmax0.60T时，则应选择下一个级别型号的抽油机，以节省能耗，发挥抽油机的最大工作能力。,煤层气井排采工艺,抽油机：,煤层气井排采工艺,抽油机：,气体流量计：气体流量计是用来随时测量储层产气情况的重要仪器之一。计量表的类型多种多样。通过实践，采用涡轮式气体流量计较为适宜，因为涡轮式气体流量计具有精度高、耐压、耐腐、直读累计、价格低廉等优点。回声仪：煤层气井的排采对动液面的要求比较高，由于煤储层的解吸压力较低，几十米甚至十几米的深度误差将对排采决策产生非常重要的影响。因此，回声仪要求测量准确、精度高。要统一型号和误差标准。对不同类型的回声仪，在使用前要进行统一的深度标定。示功仪：示功仪用来随时监测并诊断抽油机及井下泵的工作情况，以便使抽油机及井下泵工作达到最佳状态。水分析仪器：水分析仪器用来进行水中氯离子含量和PH值的测定。水分析仪器用来进行水中氯离子含量和PH值的测定。及时检测储层水的各项离子含量变化和压裂液的返排速率情况。含砂仪：含砂仪用来对排出地面的地层水中的含砂量进行测定，以便及时了解储层的出砂情况。,煤层气井排采工艺,气锚：煤层气井排采是在气、液两相下进行的。在排采过程中，气体是影响生产的主要问题之一，即降低泵效和产率。气锚是在井下将水中的游离气体直接分离进油管环空的必要措施之一。砂锚：砂锚的主要作用是在液体进泵前分离随储层水而出的地层砂，防止抽油泵磨损，增加泵的使用年限，减少卡泵事故发生。,煤层气井排采工艺,煤层气井排采工作制度是指为适应煤层气储层地质特征和满足生产需要时的产量和压力应遵循的关系。排采工作制度主要分以下几种：,排采工作制度与排采控制1）定压排采2）定产排采,煤层气井排采工作制度,定压排采工作制度与排采管理,煤层气井排采工作制度,压力管理液面产水量产气量套管压